Konstnärrepresentation av en röd jättestjärna som avger axioner. Axion-elektronkopplingar av den storlek som krävs för att ta hänsyn till XENON1T-överskottet skulle oundvikligen göra andra stjärnor, som den röda jätten på bilden, in i ljusa "axionsfyrar", drastiskt förändra deras ljusstyrka och deras utveckling. Kredit:Di Luzio et al.
I flera decennier, fysiker och astrofysiker har teoretiserat om förekomsten av mörk materia i universum. Denna svårfångade typ av materia skulle bestå av partiklar som inte absorberar, reflektera eller avge ljus, och som därför inte kan detekteras med konventionella instrument för att observera partiklar.
En av de mest lovande kandidaterna för mörk materia är axion. Axioner är hypotetiska partiklar som först introducerades för att förklara ovanliga observationer relaterade till starka nukleära interaktioner. Senare, teoretiska fysiker har föreslagit att axioner utgör delar av universums massa som fortfarande saknas redogörelse för och därmed i huvudsak kan vara mörk materia. Sedan dess, otaliga team över hela världen har genomfört sökningar efter axioner med hjälp av en mängd kraftfulla och sofistikerade detektorer.
För några månader sedan, en internationell forskargrupp känd som XENON Collaboration släppte ny data som samlats in av XENON1T, en känslig detektor för interaktioner mellan mörk materia och vanliga partiklar. Dessa data innehöll ett överraskande överskott av händelser som kan vara en antydan om förekomsten av partiklar som aldrig tidigare observerats, såsom solaxioner.
Forskare vid Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Barcelonas universitet, Barry University och Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) undersökte nyligen data som samlats in av XENON1T-detektorn i hopp om att bättre förstå om överskottet som upptäckts kunde, faktiskt, vara en manifestation av solaxioner. Resultaten av deras analyser och deras överväganden, publicerad i Fysiska granskningsbrev , verkar utesluta möjligheten att solaxioner ligger bakom XENON-samarbetets oväntade observationer.
"När XENON1T-resultatet tillkännagavs, vi genomförde en grundlig studie av effekterna av axionemission från olika astrofysiska kroppar, " via e-post, Luca Di Luzio, Marco Fedele, Maurizio Giannotti, Federico Mescia och Enrico Nardi, forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org, "Vi var således i en optimal situation för att lätt inse att de specifika axionsegenskaper som krävs av XENON1T-förklaringen var i stark konflikt med observationer av stjärnutveckling."
I deras senaste tidning, Di Luzio och hans kollegor visar att hypotesen om solaxioner som XENON1T-överskott inte håller, eftersom det krockar med tidigare astrofysiska observationer. Deras förhoppning är att genom att utesluta denna möjlighet, deras arbete kommer att uppmuntra andra team att identifiera och utforska alternativa förklaringar. Enligt forskarna, överskottet är mycket mer sannolikt att antingen vara resultatet av ett oåtgärdat problem med experimentupplägget eller en indikation på ett annat exotiskt fysiskt fenomen.
En förklaring av den anomala XENON1T-signalen kräver att axionkopplingarna till fotoner och till elektroner ligger inuti det blå området av denna plot. Dock, astrofysiska observationer innebär att det tillåtna området för samma två kopplingar inte kan sträcka sig mycket utanför det röda området. Den stora separationen mellan de två regionerna gjorde det möjligt för forskarna att dra slutsatsen att XENON1T-data inte kan förklaras av solaxioner. Kredit:Di Luzio et al.
"Solaxioner kan inte förklara den avvikande XENON1T-observationen bara för att, jämfört med andra typer av stjärnor som kännetecknas av mycket större kärndensiteter och temperaturer, solen är inte särskilt effektiv på att producera axioner, " förklarade forskarna. "Om det observerade överskottet skulle tolkas som att det berodde på solaxioner, andra typer av stjärnor skulle då överproducera axioner, de skulle lysa som intensiva axionsfyrar, ' förlora energi från sina inre kärnor i en så stor hastighet att deras utveckling skulle förändras drastiskt. Detta skulle vara i allvarlig konflikt med många tidigare astronomiska observationer."
Ett exempel på astronomiska data som krockar med solaxionshypotesen är observation av stjärnpopulationer. För att förklara XENON1T-överskottet, faktiskt, solaxioner skulle behöva ha parametrar så stora att en hel stjärnpopulation, de så kallade Horizontal Branch (HB) stjärnorna, skulle vara mycket knappt befolkad. Om så vore fallet, inga HB-stjärnor bör hittas i de närliggande klothoparna, där forskare faktiskt har upptäckt flera av dem.
"Vår studie ska främst förstås som ett bidrag till att hålla samhällets ansträngningar på rätt spår, ", sa forskarna. "Initial entusiasm för en möjlig 'axion-upptäckt' kan ha avlett experimentella och teoretiska ansträngningar i en riktning som är, faktiskt, återvändsgränd."
Förutom att utesluta möjligheten att solaxioner förklarar XENON1T-överskottet, det senaste arbetet utfört av Di Luzio och hans kollegor belyser vikten av att noggrant överväga de astrofysiska implikationerna av axionsmodeller när man försöker bedöma deras fenomenologiska livskraft. I deras papper, forskarna betonar vikten av förhållandet mellan axioner och astrofysik, eftersom det första beviset på förekomsten av axioner så småningom kunde komma direkt från astrofysiska observationer.
Teamet genomför nu ytterligare studier som utforskar axionsfysik. Dessa studier fokuserar på ett brett spektrum av ämnen, inklusive de kosmologiska och astrofysiska konsekvenserna av axioner, axionsmodellbyggnad och de fenomenologiska aspekterna av axionssökningar utförda i både laboratorie- och markbaserade experiment.
"Varje medlem i vårt samarbete har specifika färdigheter i olika aspekter av axionsfysik, ", sa forskarna. "Som ett samarbete, vi genomför för närvarande en grundlig analys av ett stort antal astrofysiska observerbara objekt, av vilka några uppvisar spännande skillnader mellan teoretiska förutsägelser och observationer. Även om nivån av signifikans för varje anomali är måttlig när den tas enskilt, en global analys kan avslöja ett konsekvent mönster, och kan peka på en förklaring i termer av någon specifik typ av axion."
© 2020 Science X Network
